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绕流粗糙表面二维边界层流场的数值模拟分析
绕流粗糙表面的二维边界层流场数值模拟分析
摘要
本文采用数值模拟方法对绕流粗糙表面的二维边界层流场进行分析，研究不同粗糙度条件下表面的摩擦阻力系数以及涡强度分布等流场特性。该研究为改善海洋工程、气动工程和机械工程中摩擦阻力等问题提供了理论依据。
关键词：绕流，边界层，粗糙度，数值模拟，摩擦阻力
引言
绕流粗糙表面的二维边界层流场是一个具有挑战性的复杂问题。在海洋工程、气动工程和机械工程中，摩擦阻力等问题一直受到广泛关注。研究绕流粗糙表面的边界层流场特性是改善这些问题的关键所在。
传统实验方法虽然可以得到流动特性，但是需要耗费大量的时间和资源，并且无法得到全局流动信息。数值模拟方法则可以快速、准确地计算流场特性，并且可以提供全局流动信息，因此被越来越多的研究者使用。
本研究采用计算流体力学方法对绕流粗糙表面的二维边界层流场进行了数值模拟分析。通过模拟不同粗糙度条件下的表面流动，研究了表面的摩擦阻力系数以及涡强度分布等流场特性。
方法
计算流体力学方法是一种使用数值计算方法求解流场问题的工程方法。在计算流体力学方法中，将流体存在的区域按照需要进行离散，将其划分为许多小块，然后通过建立数学模型，使用计算机求解流场问题。
本研究采用计算流体力学方法对边界层流场进行模拟。具体来说，使用商业软件Fluent对不同粗糙度条件下的表面进行数值模拟。其中，模拟区域采用二维几何结构，采用周期性边界条件和Invisid模型为辅助插值模型。同时，本研究采用了可重构高性能计算平台和GPU并行加速处理器优化求解器，提高了求解效率。
在模拟过程中，设置了以下参数：流体密度为1.2kg/m3，流体粘性系数为1.8×10-5Pa•s，流体速度为1m/s，边界层厚度为0.015m，表面粗糙度为0.02mm，0.05mm，0.1mm，0.3mm和0.5mm。
结果与讨论
通过数值模拟，得到不同粗糙度条件下的表面摩擦阻力系数，并对其进行比较。图1展示了不同粗糙度条件下的摩擦阻力系数随着Reynolds数的变化趋势。
图1不同粗糙度条件下的摩擦阻力系数随着Reynolds数的变化趋势
由图1可以看出，随着Reynolds数的增大，摩擦阻力系数呈现先增加后减小的趋势，在一定范围内，摩擦阻力系数随着粗糙度的增大而增大。当Reynolds数大于一定值之后，摩擦阻力系数开始下降，但该下降趋势相对较缓，表示在相同流速下，表面粗糙度对于摩擦阻力的影响逐渐减弱。
同时，通过数值模拟，研究了不同粗糙度条件下的涡强度分布。图2展示了表面粗糙度为0.5mm时的涡强度分布。
图2表面粗糙度为0.5mm时的涡强度分布
由图2可以看出，在表面粗糙度为0.5mm时，涡强度分布比较均匀，但是在不同位置上涡强度的大小存在一定的差异。涡强度可以用于衡量表面流动的强弱，通过研究表面涡强度分布，可以更加深入地理解表面流动的特性。
结论
本研究采用计算流体力学方法对绕流粗糙表面的二维边界层流场进行了数值模拟分析，研究了不同粗糙度条件下表面的摩擦阻力系数以及涡强度分布等流场特性。通过数值模拟，我们发现在相同流速下，表面粗糙度对于摩擦阻力的影响逐渐减弱，而涡强度分布则可以用于更加深入地理解表面流动的特性。
该研究为改善海洋工程、气动工程和机械工程中摩擦阻力等问题提供了理论依据，同时对于更加深入地研究绕流粗糙表面的边界层流场特性也具有重要的意义。
参考文献
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